ZACplus Citizen-Science Schuelerworkshop vom 16.04.2024

Ort: Herder-Gymnasium, Minden

Teilnehmer: 13

Der Schuelerworkshop fand statt im Rahmen der Unesco-Projekttage 2024 des Herder-Gymnasiums mit Schülern der Jahrgangsstufe 7 und einem Lehrer

Hardware

- Bau einer klemmschlüssigen Halterung für den Kathodentester aus UniProKit Bauteilen

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- Inbetriebnahme u. Erprobung einer Mess-Vorrichtung aus UniProKit-Bauteilen zur (stand-)sicheren Aufnahme des Becherglases vom Recycler. Die Vorrichtung wurde mit einer 10g-Federwaage ausgestattet an welcher das Kathodengitter frei schwingend und gleichzeitig im Elektrolyten hängend befestigt ist. Dieser Aufbau ermöglicht es, die Gewichtszunahme des sich bildenden Zinkschwamms sozusagen "netto" zu messen, d.h. ohne das Gewicht des sich noch in den Poren befindenden Elektrolyten. Das ist eine deutliche Verbesserung gegenüber der früheren Methode, die darin bestand, den Zinkschwamm nach dem Recycler-Prozess von dem Gitter abzuschaben und auf eine Waage zu legen, da die noch im Zinkschwamm befindliche Feuchtigkeit bzw. Restmenge an Elektrolyt mitgewogen wird und als nicht unerheblicher Offset die Messergebnisse verzerrt. Alternativ müsste man diese vorher entfernen, zB. durch Waschung in Alkohol, was aber mit einem zusätzlichen Aufwand verbunden und nicht ganz trivial ist, da an dem Zinkpulver weiterhin Oxidationsvorgänge mit dem Luftsauerstoff stattfinden, welche das Gewicht verändern.

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Experiment 16.04.2024-1

- Messung der Leerlauf-Spannung einer Kathodentester-Zelle: Die Leerlauf-Spannung betrug nach einer Einpendlungsphase 1,34 V.

- Messung des Stroms eines DC-Motors als Verbraucher: Die von dem DC-Motor bezogene Strommenge betrug rund 30 mA. Die Leistungsabgabe der Zelle betrug 30 mA * 1,34V = 40,2 mW

- Messung des Stroms einer LED-Leuchte als Verbraucher: Die von der LED-Leuchte bezogene Strommenge betrug rund 190 mA. Die Leistungsabgabe der Zelle betrug 190 mA * 1,34V = 254,6 mW

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Experiment 16.04.2024-2

- Messung der Gewichtszunahme an Zink (Zn) welches aus Zinkoxid (ZnO) im Recycler unter Stromaufnahme (aus dem Labornetzteil) regeneriert wurde. Dauer 1h, Spannung: 2,4V. Die Gewichtszunahme betrug während dieser Zeit 0,1 g; eine Zinkschwammbildung war noch nicht erkennbar.

- Messung der Gewichtszunahme an Zink (Zn) welches aus Zinkoxid (ZnO) im Recycler unter Stromaufnahme regeneriert wurde. Dauer 2h, Spannung: 4,2V. Die Gewichtszunahme betrug während dieser Zeit 0,3 g; eine Zinkschwammbildung war anschliessend deutlich erkennbar.

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Citizen-Science notes

Beobachtung 1

Ich fragte die Schüler, ob sie vielleicht schon Vorstellungen od. Pläne hätten, was sie später mal beruflich machen wollen und ob vielleicht schon jemand plant, nach dem Gymnasium an einer Universität zu studieren und ev. "in die Wissenschaft zu gehen". Antwort: Keiner der Schüler plante dieses. Wobei allerdings auch einige noch gar keine Vorstellungen diesbezüglich hatten. Zwei Schüler hatten allerdings schon ziemlich klare Vorstellungen und gaben an, sie wollten zur Polizei gehen. Eine Schülerin meinte dazu, das könne man auch studieren.

Beobachtung 2

Bei Schülerworkshops ist es erfahrungsgemäss immer wichtig dafür zu sorgen, dass die Schüler etwas Praktisches zu tun bekommen wo sie sich aktiv betätigen können, etwa im Gegensatz zu einem reinen Vortrag, bei dem sie sich schnell langweilen. Eine Zink-Luft-Brennstoffzelle ist daher nicht gerade der optimale Workshopinhalt, weil sie - einmal für eine (oft stundenlange) Messung in Betrieb genommen - weiter keine Aktivitäten benötigt ausser hin und wieder Messwerte abzulesen. Um derartige "Wartezeiten" zu überbrücken hatte ich noch einige "Solar-Kits" dabei, welche sehr gut dafür geignet sind einfache Experimente mit kleinen Photovoltaik-Zellen durchzuführen und dabei Messgrößen wie Spannung, Stromfluss, Leistung und den Umgang mit einem Multimeter zu üben und damit Grundlagen für die Messungen an der Zink-Luft-Zelle zu lernen. Es kam aber nicht dazu, weil sich im Vorfeld mit den Schülern eine angeregte (und ausufernde) Diskussion über alternative Energien und verschiedene Speichermöglichkeiten ergab.

Learning

Bei einem Schülerworkshop ist die Zeit vergleichsweise knapp bemessen (netto ohne Pausen rund 4 h). Die Messunge an der Zelle erstrecken sich hingegen normalerweise oft über etliche Stunden oder gar Tage. Es war ursprünglich mal die Idee, im Rahmen des Citizen-Science Anspruchs prinzipiell jeden workshop (also auch Schülerworkshops) im Hinblick auf Experimente ergebniss-offen zu gestalten indem man versucht eine aktuelle und neue Fragestellung damit zu beantworten, die vorher eben noch nicht experimentell bearbeitet wurde. Damit sollte vermittelt werden, das man an vorderster Front der Wissenschaft agiert und keineswegs klar ist, ob ein Ansatz auch zum Erfolg führt (anders als bei normalen Workshops, wo das Ergebnis vorher bekannt ist und somit auch das "Erfolgserlebnis" quasi garantiert ist). Es zeichnet sich aber schon deutlich ab, dass dieser Ansatz (also speziell bei Schülerworkshops) aufgrund des eher knappen Zeitraums mindestens schwierig ist, weil insbesondere quantitative Messungen normalerweise meist über einen deutlich längeren Zeitraum gehen. Es erscheint daher sinnvoll, diesen Anspruch dahingehend etwas aufzuweichen, als das man sich in solchen Fällen auch auf die qualitative Darstellung eines Experiments beschränken kann. Oder das man es per Definition auch durchaus zum Zwecke der Verifizierung nochmal wiederholen kann. Oder auch, dass man es im Schuelerworkshop zunächst mal nur "qualitativ" anreisst und später nochmal in einer ausführlicheen quantitativen Messung wiederholt.

Grundlagen wissenschaftlichen Arbeitens

Reguläre Messwert-Schwankungen vs. Artefakte und das Konzept einer konservativen Schätzung. Es ergab sich zufällig gleich bei der ersten Spannungsmessung, dass der angezeigte Wert mit 1,8 V erheblich zu hoch war (da der rechnerische Maximalwert von Zink-Luft-Zellen bei 1,6V liegt. Es stellte sich dann später heraus, dass der falsche Wert auf einem Wackelkontakt an der Mess-Sonde des Multimeters beruhte und somit ein Artefakt darstellt.) Eine Messung mit einem weiteren Multimeter ergab 1,34 V, was im Rahmen der Erwartung liegt. Auf die Frage, welchen von beiden Werten man denn nun ins Mess-Protokoll eintragen sollte plädierte die Mehrzahl der Schüler für den höheren aber falschen Wert. Ich nahm das zum Anlass um das Prinzip einer konservativen Schätzung zu erläutern und das man als Wissenschaftler im Zweifelsfalle lieber vom worst-case Fall ausgehen und seine eigenen Messergebnisse stets sorgsam hinterfragen sollte; erst recht, wenn sie zu gut aussehen (um wahr zu sein). Und warum es wichtig ist, dass die Messergebnisse auch durch ein weiteres, unabhängiges Forscherteam reproduziert werden können ("Intersubjektive Nachvollziehbarkeit"). Es fiel den Schülern sehr schwer, das einzusehen; sie wollten einfach partout, dass der höhere und damit in ihren Augen der "schönere" Wert dem wahren Wert entspricht. Schliesslich akzeptierten sie es aber doch, weil ich noch ein drittes Multimeter zum Vergleich heranzog, welches dann ebenfalls einen Wert von rund 1,35 V anzeigte.

Sicherheitskonzept

Die Schüler konnten zunächst das gesamte Experiment "trocken" aufbauen, alle Messkabel-Anschlüsse mit den Multimetern verbinden usw., bis zu dem Punkt, wo das Experiment durch die Befüllung mit dem Elektrolyten gestartet wurden. Ab hier galt die Order einen Mindestabstand einzuhalten und nicht mehr mit der Apparatur zu hantieren, sondern nur noch die Messergebnisse abzulesen und zu notieren. Schutzkleidung u. Schutzbrille waren dennoch obligat. Die Zelle und der Recycler standen in einer Plastikwanne und diese in einer größeren Plastik-Kiste als zweite Schutz-Zone. ToDo: Dieses Konzept hat auch soweit gut funktioniert, allerdings wäre es für die Zukunft wünschenswert, den Aufbau der Zelle strukturell so zu verbessern, dass die Abschirmung noch umfassender ist (bei gleichzeitig guter Sichtbarkeit der Zelle --> durchsichtige Acrylglas-Wände) und der Elektrolyt möglichst komplett "eingeschlossen" ist und etwa nicht mehr manuell befüllt od. entleert wird, sondern nur noch automatisch über eine Pumpe.